La fusion aneutronique est une réaction de fusion nucléaire au cours de laquelle la proportion d’énergie libérée sous forme de neutrons reste minime, typiquement inférieure au seuil d’1 % de l’énergie totale. Les réactions nucléaires généralement étudiées aujourd’hui peuvent libérer jusqu’à 80 % de leur énergie sous forme de neutrons. À l’inverse, à condition qu’elle puisse être maîtrisée, la fusion aneutronique serait à même de réduire considérablement les inconvénients associés au rayonnement neutronique (rayonnements ionisants, activation), le besoin d’écrans de protection ou d’équipements de télémanipulation et les problèmes de sûreté. Certains partisans de la fusion aneutronique imaginent une réduction spectaculaire des coûts grâce à une conversion directe en électricité de l’énergie des produits de fusion porteurs de charge. Cependant, les conditions requises pour déclencher une fusion aneutronique sont beaucoup plus difficiles que celles nécessaires au cycle classique du deutérium-tritium (D-T). Si la démonstration scientifique montre que la fusion aneutronique peut être produite de façon continue, sa viabilité économique reste à prouver.
Réactions aneutroniques candidates Seul un nombre réduit de réactions de fusion se produisent sans émission de neutrons. Voici celles qui présentent la plus grande section efficace :
D+He→ He() + p()D +Li→2 He+ p +Li→ He() + He()He+Li→2 He + p+ He+He→ He +2 p+ p +Li→2 He+ p+B→3 He+
Les deux premières utilisent le deutérium comme combustible, or certaines réactions secondaires D-D produisent quelques neutrons. Bien que la fraction de l'énergie portée par les neutrons puisse être limitée par le choix des paramètres de la réaction, cette fraction demeurera probablement supérieure au seuil d'1 %. Il est donc difficile de considérer ces réactions comme aneutroniques.
Le rendement des deux réactions suivantes (mettant en œuvre p, He et Li) reste faible au sein d'un plasma thermique. Si en revanche on considère leur enchaînement, on peut espérer obtenir une meilleure réactivité, pourvu que la distribution énergétique s'écarte de la statistique de Boltzmann.
Le produit He, issu de la première réaction, peut participer à la seconde réaction avant thermalisation, et le produit p, issu de la seconde réaction, peut participer à la première réaction avant thermalisation. Hélas, les études détaillées n'ont pu démontrer une amélioration suffisante pour compenser la faible section efficace.
Le problème de la réaction He-He est celui de la disponibilité du combustible. He n'étant présent sur Terre qu'à l'état de traces, il serait nécessaire soit de le produire par bombardement neutronique (ce qui est contradictoire avec le but poursuivi), soit de le recueillir dans l'espace. Les premiers mètres de la surface de la Lune sont relativement riches en He, de l'ordre de 0,01 millionième en masseThe estimation of helium-3 probable reserves in lunar regolith, mais extraire cette ressource et l'acheminer sur Terre serait très difficile et coûteux. He pourrait en théorie être extrait de l'atmosphère des géantes gazeuses, mais le défi est encore plus grand.
La réaction p-Li ne présente aucun avantage sur la réaction p-B. Sa section efficace est même inférieure.
Pour toutes ces raisons, les recherches sur la fusion aneutronique s'orientent principalement vers la réaction hydrogène-bore (p-B).
Enjeux techniques Température Malgré l'intérêt de la fusion aneutronique, l'effort de recherche en fusion est allé pour l'essentiel vers la fusion D-T, parce que les problèmes que pose le couple hydrogène-bore (p-B) ont été jugés très difficiles à surmonter. Pour commencer, la fusion hydrogène-bore exige que l'énergie ou la température des ions soit au moins dix fois supérieure à ce qui est nécessaire pour la fusion D-T. La réactivité du couple hydrogène-bore atteint son maximum aux environs de 600 keV (plus de 6 milliards de kelvins), alors que pour le couple D-T le pic est aux environs de 66 keV (730 millions de kelvins).
Bilan énergétique En outre, la réactivité maximale du couple p-B n'est que de l'ordre du tiers de celle du couple D-T, ce qui impose que le confinement de l'énergie du plasma soit réalisé dans des conditions plus draconiennes. Le confinement est généralement caractérisé par le temps τ pendant lequel l'énergie doit être retenue pour que la puissance produite par la fusion dépasse celle nécessaire au chauffage du plasma. On peut exprimer ces conditions à l'aide de divers critères dérivés, les plus courants combinant le temps et la densité dans le produit nτ, le temps, la densité et la pression dans le produit nTτ ; ces critères sont appelés l'un et l'autre critère de Lawson. Le facteur nτ nécessaire pour la réaction p-B est 45 fois plus élevé que pour la réaction D-T, le facteur nTτ étant 500 fois plus élevéCes deux chiffres supposent que la température des électrons est la même que celle des ions. Dans l'hypothèse où un plasma à basse température électronique pourrait être utilisé - voir ci-dessous -, le désavantage relatif de la réaction p-B serait réduit d'un facteur 3. Pour plus de détails, voir ce chapitre de l'article sur la fusion nucléaire.. Les propriétés de confinement des approches conventionnelles de la fusion, telles que le tokamak et la fusion de microbilles par laser étant limitées, la plupart des propositions relatives à la fusion aneutronique sont fondées sur des concepts de confinement radicalement différents.
Dans la plupart des plasmas, l'un des défis les plus importants à relever concerne les pertes liées à l'émission de photons (rayons X) par Bremsstrahlung, ou rayonnement de freinagePour plus de détails, voir ce chapitre de l'article sur la fusion nucléaire.. Pour la réaction p-B, l’énergie de Bremsstrahlung serait toujours plus élevée que l’énergie de fusion, quelles que soient les proportions relatives des deux élémentsFundamental limitations on plasma fusion systems not in thermodynamic equilibrium, Todd H. Rider, June 1995, p. 163 ; le rapport correspondant pour la réaction He-He serait un peu plus favorableIs There a Better Route to Fusion?, Todd H. Rider, April 1, 2005, p. 15.
Dans les réacteurs de fusion de conception traditionnelle, soit par confinement magnétique, soit par confinement inertiel, le Bremsstrahlung peut facilement s'échapper du plasma, et on le considère comme une perte d'énergie pure et simple. Les perspectives seraient plus favorables si les radiations pouvaient être réabsorbées par le plasma. L'absorption s'effectue principalement par diffusion Thomson des photons sur les électronsLecture 3 : Accelerated charges and bremsstrahlung, lecture notes in astrophysics from Chris Flynn, Tuorla Observatory, dont la section efficace totale est σ =. Dans un mélange 50-50 de D-T, cela correspond à environ m/σ = 2,5 × ()/() = . Cette valeur plancher est considérablement plus élevée que le critère de Lawson ρR > , qui est déjà difficile à atteindre, mais pourrait ne pas être hors de portée de systèmes de confinement inertiel futursRobert W. B. Best. "Advanced Fusion Fuel Cycles". Fusion Technology, Vol. 17 (July 1990), pp. 661-5..
Dans des champs magnétiques très intenses, de l’ordre du mégatesla, un effet quantique pourrait supprimer le transfert d’énergie des ions vers les électronsG.S. Miller, E.E. Salpeter, and I. Wasserman, Deceleration of infalling plasma in the atmospheres of accreting neutron stars. I. Isothermal atmospheres, Astrophysical Journal, 314: 215-233, 1987 March 1. In one case, they report an increase in the stopping length by a factor of 12.. Selon un calculE.J. Lerner, Prospects for pB fusion with the Dense Plasma Focus: New Results (Proceedings of the Fifth Symposium on Current Trends in International Fusion Research), 2002, https://arxiv.org/abs/physics/0401126, les pertes par Bremsstrahlung pourraient être réduites à la moitié de l’énergie de fusion, ou même moins. Dans un champ magnétique puissant, le rayonnement cyclotron est encore plus important que le Bremsstrahlung. Dans un champ mégatesla, un électron perdrait son énergie par rayonnement cyclotron en quelques picosecondes si la radiation pouvait s’échapper. Cependant, dans un plasma suffisamment dense, la fréquence cyclotron est inférieure au double de la fréquence du plasmaAssuming 1 MT field strength. This is several times higher than solid density.. Dans ce cas bien connu, le rayonnement cyclotron est piégé à l’intérieur du plasmoïde et ne peut s’échapper, sauf à partir d’une très fine couche de surface.
Bien que des champs mégatesla n’aient pas encore été obtenus en laboratoire, des champs de 0,3 mégatesla ont été produits avec des lasers de haute intensité"X-ray Polarization Measurements at Relativistic Laser Intensities", P. Beiersdorfer, et al., et des champs de 0,02-0,04 mégatesla ont été observés dans un focalisateur de plasma denseBostick, W.H. et al, Ann. NY Acad. Sci., 251, 2 (1975)La pression magnétique à 1 MT devrait être de . En comparaison, la résistance à la traction de l’acier inoxydable est de l’ordre de ..
À des densités beaucoup plus élevées (n > ), les électrons se retrouvent dans un état de dégénérescence quantique dans lequel les pertes par Bremsstrahlung disparaissent, à la fois directement et par réduction du transfert d'énergie des ions vers les électronsS.Son, N.J.Fisch, Aneutronic fusion in a degenerate plasma, Physics Letters A 329 (2004) 76-82, ou online. Si les conditions nécessaires pouvaient être atteintes, cela ouvrirait la possibilité d'une production nette d'énergie à partir de réactions p-B ou D-He. La faisabilité d'un réacteur basé uniquement sur cet effet reste cependant faible, les valeurs prévisibles de gain étant inférieures à 20, alors qu'on estime habituellement qu'un gain supérieur à 200 est nécessaire.
Recherches actuelles De nombreux efforts visent à réaliser la fusion hydrogène-bore, en utilisant divers dispositifs de fusion. L'une de ces approches, qui utilise un focalisateur de plasma denseFocus Fusion: The Fastest Route to Cheap, Clean Energy<, a reçu des financements du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, de l’Air Force Research Laboratory et de la Commission chilienne de l’énergie nucléaire, parmi d’autresJPL Contract 959962, JPL Contract 959962. En 2001, Lawrenceville Plasma Physics (LPP) Inc a annoncé avoir atteint des énergies ioniques supérieures à 100 keV en utilisant un dispositif « plasma focus » à la Texas A&M University. Un essai de cette approche, connue également sous le nom de « focus fusion », est en cours dans un projet conjoint avec LPP, dans le Laboratoire des plasmas thermonucléaires à Santiago, Chili.. Les chercheurs de l’Université de l’Illinois et de l’Air Force Research Laboratory ont décrit la façon dont un focalisateur de plasma dense utilisant un combustible hydrogène-bore peut être employé pour la propulsion spatialeThomas, Robert; Yang, Yang; Miley, G. H.; Mead, F. B Advancements in Dense Plasma Focus (DPF) for Space Propulsion SPACE TECHNOLOGY AND APPLICATIONS INT.FORUM-STAIF 2005:. AIP Conference Proceedings, Volume 746, pp. 536-543 (2005).
Dans une autre approche, dont Robert Bussard est le pionnier, et financée par l’US Navy, un dispositif particulier de confinement inertiel électrostatique appelé Polywell est utiliséBussard, R. W. & Jameson L. W., Inertial-Electrostatic-Fusion Propulsion Spectrum: Air-Breathing to Interstellar Flight, Journal of Propulsion and Power Vol. 11, No. 2, March-April 1995Should Google go Nuclear? - A video of Dr. Bussard presenting his concept to an audience at Google.
Aucune de ces approches n'ayant encore donné lieu à des tests réels avec du combustible hydrogène-bore, les performances prévues sont fondées sur une extrapolation de la théorie, des résultats expérimentaux avec d’autres combustibles, et des simulations.